《科學中國人》封二人物——詹其文
從20世紀到現在，從經典力學到量子理論，實體學中對于空間和時間的觀念已經不止一次引起了革命性的變化。而當時間和空間真的被融合在一起，形成新的光子運動狀态時，又會給科學與技術帶來什麼樣的變革？
2020年，來自上海理工大學光電資訊與計算機工程學院納米光子學創新團隊的一項研究成果發表在世界光學頂尖期刊《自然-光子學》上，并成功入選美國光學學會（OSA）評選的2020年度全球30項光學重大進展以及2020年中國光學十大進展。這項研究在光子軌道角動量領域，将超快脈沖光時間領域調控和空間光場調控領域創造性地“合二為一”，首次從理論到實驗展示了具有時空渦旋相位并攜帶光子橫向軌道角動量的新型光場，開創了一個全新的光子軌道角動量自由度。
作為該項目負責人，上海理工大學光電資訊與計算機工程學院教授、納米光子學創新團隊首席科學家詹其文緻力于光場調控及其與微納結構互相作用的創新研究，最終在光學領域刮起了一場光子“飓風”，實作了“從0到1”的突破。
幾十年如一日在實驗室裡與光粒子打交道要如何才能耐得住寂寞？詹其文的回答出乎意料：做自己感興趣的事情，不寂寞。
詹其文（左二）在SPIE Photonics West會議接受SPIE Fellow證書
<h1 class="pgc-h-arrow-right">向上推動創新，在微納尺度“雕刻時光”</h1>
近年來，納米結構、超材料等不斷重新整理着人們對物質空間結構的認識，“光場”作為描述光在空間方向和分布的描述，也逐漸進入人們視野。針對光場的調控，就好比在一幅畫的空間範圍内，不同的位置能看到不同的光的強度、不同的光的顔色。詹其文的主要研究領域是光場調控及其與微納結構互相作用，即從微納尺度上對光的結構進行時間和空間上的排布。“是以我們有時候開玩笑說，我們做光場調控研究，就是在‘雕刻時光’。”
光場的調控并非想象中那麼容易，不同結構對應的光場都不一樣，要得到最優化的比對，就必須實作對光場的自由調控。當自由度足夠大，具體應用中要實作超分辨成像等目的，也就有了最優化的解決方案。光場調控可以跟不同領域學科交叉，解決一個又一個具體的科學問題。
詹其文1996年大學畢業于中國科學技術大學實體學專業，其後赴美國留學，2002年獲得美國明尼蘇達大學電子工程博士學位。同年，他獲聘美國代頓大學電子光學系教職，曆任助理教授、終身制副教授等職位，于2012年獲聘終身制教授，主要研究領域涵蓋光場調控及其與微納結構互相作用、納米光子學、生物光子學、超分辨成像及納米結構表征等。在美國任職期間，他還創立了代頓大學納米電子光學實驗室及代頓大學Fraunhofer中心，擔任主任一職。
在美國十多年的時間裡，詹其文通過研究複雜光場在納米材料結構表征中的應用及相關儀器的開發發現，納米材料結構與光場偏振狀态具有天然的強烈關聯與作用，這一作用可以被用來作為探索新納米材料的光學無損分析及表征手段。而這些非傳統光學偏振态及其聚焦光場在光鑷方面的特殊作用，可以實作對金屬、低折射率媒體（如氣泡）、各向異性材料甚至磁性材料等納米顆粒的穩定操縱。2002年至2003年，他就用簡單的光學器件，創造性地提出并實作了一系列矢量光場的反射、轉向以及旋轉等操作的簡易技術方法，并首次利用光束偏振空間對稱性發明了高分辨率高精度掃描顯微橢偏儀等光學儀器。
2007年，一個針對半導體器件中如何做光場成像檢測的問題找上了門。原來，由于該半導體晶片中結構可能存在應力，可能導緻晶片生命周期大大縮短，甚至出現嚴重故障。而在當時，應用中的光學技術無法對可能存在的應力分布進行成像。而詹其文針對複雜光場的研究成果，剛好完美地解決了這一難題。通過内部類似自行車輪子一般的複雜光場結構進行聚焦，就可以以極高的分辨率看到半導體晶片中應力的分布情況。
“誤打誤撞”下促成了基礎科研和應用領域的完美結合，詹其文帶領實驗室團隊繼續開展深入研究，成功地将相應的技術應用于半導體器件、光波導、生物樣品、微小光學器件以及超薄半導體媒體膜的檢測，并且實作超衍射極限的光學成像。利用他提出的最優表面等離子體激發下的光學天線，他和團隊還開發了新型納米拉曼譜成像技術，并探索其在下一代內建電路超高分辨率光場成像和納米材料結構完整性研究中的應用，獲得了4項國際專利，由美國的CyberOptics及德國的HSEB GmbH等高科技公司獲得授權後進行推廣。
“創新的産生通常源于兩種驅動力：一個是由應用需求産生的牽引，另一個則是由基礎研究突破産生的托舉。當雙方遇到一起的時候，解決方案就産生了。”詹其文說。在此之後，他又系統地提出了空間偏振模式比對的理論并将其成功應用于最優化表面等離子體聚焦，在實驗上驗證了利用徑向偏振光束進行表面等離子體會激發産生一種獨特的瞬逝Bessel光場。這一概念還被進一步擴充至其他共振結構如光子晶體等，通過激發光束空間偏振态與相應微納結構的比對進而得到最優化的局域光場及場增強效應。由于在納米尺度光學成像以及探測方面有廣闊的應用前景，詹其文與得克薩斯大學合作，進一步将空間偏振模式比對導緻的局域場增強效應與新型光電材料以及光子晶體慢光波導相結合，設計并示範了超高靈敏度的射頻電磁場的光學感應器。
“大膽創新”不止于此，詹其文複雜光場方面的研究成果涵蓋矢量光束的數學及實體描述，實驗産生及操縱、傳輸、聚焦特性及這些特性的實際應用等。他還參與了“光場調控”這一新興學科領域的開創性工作，并推動其快速發展，應邀為美國光學學會期刊Advances in Optics and Photonics的創刊号撰寫了對這一領域的綜述文章。而該文章自發表以來，長期居于此期刊的最高下載下傳及最高引用文章之一，并被科學引文索引（SCI）列為光學領域過去10年裡最高引用文章之一。
作為特邀報告人，與來自中、美、加、日、德、南非等國家的特邀專家在Structured Light國際特别研讨會的合影
<h1 class="pgc-h-arrow-right">發現“光子飓風”，實作“從0到1”的突破</h1>
加強基礎研究，創新人才教育培養，注重提升原始創新能力，努力實作更多“從0到1”的突破，是中國實施創新驅動發展戰略，完善關鍵核心技術攻關的新型舉國體制，面向世界科技前沿、面向國家重大需求的核心要求和手段。在光子科學領域，許多科學家把畢生精力放在了空間光場或超快脈沖光等光子通信領域的研究，而要把時間和空間結合在一起，真正地“雕刻時光”，卻沒有人做過。從博士畢業開始，詹其文就埋下了這顆夢想的種子。
此後曆經20年，他一直沒有忘記這個“初心”。直到回國工作多年後的2020年，這一夢想終于實作。他和團隊首次從理論到實驗展示了具有時空渦旋相位并攜帶光子橫向軌道角動量的新型光場，開創了一個全新的光子軌道角動量自由度。
這是一個真正的“從0到1”的突破。一直以來，由于其在微納粒子操縱、超分辨光學顯微、超分辨雷射加工、超高通量光互聯、高次元量子保密通信與資訊處理等方面的重要應用，光子的軌道角動量态近年來吸引了全球大量的研究興趣，是國際上熱門的科研問題。光資訊科學也得益于對超快脈沖光等的不斷突破而快速發展。
詹其文引用氣象學的概念比喻，當龍卷風的氣流旋轉、從上往下到地面的時候，不斷地産生“軸旋”的狀态，光子的軌道角動量正類似這一狀态。如果說已經發現的光學角動量運動軌迹是“龍卷風”，他和團隊的最新發現則是形成類似快速移動的光子“飓風”。
“當時我們就在想，氣象學中，除了龍卷風的渦旋外，還有像台風一樣的渦旋狀态。我們光學研究既然有龍卷風，那麼是否有台風這種狀态的運動方式？而如果要做，我們就必須把時間‘攪’進來。”基礎科研的創新，往往在于突破思維的定式，拆除思維的籬笆。有了大膽的想象，還要有強大的執行力。在夢想的驅動下，詹其文和團隊克服了思維的障礙，直面光場空間調控和超快脈沖光兩個不同領域在這一研究中難以調和的沖突。從2018年至2020年，僅僅兩年的時間，他們就實作了這一在光學調控領域堪稱突破性的重大構想，為利用光識别物質提供了全新手段，也為資訊傳遞提供了更廣的通道。
“一開始我們就好奇是否可以讓光從超快脈沖平台射向空間光場調控平台，但我們發現這不是簡單的1+1，于是就嘗試對各實驗要素系統內建，把兩個不交融的領域合在一個實驗台上。”利用20多年積累的科研經驗，詹其文帶領團隊創造性地用“空間頻率—頻率面到空間—時間面”的傅裡葉變換，成功生成了攜帶橫向光子軌道角動量的超短脈沖光學波包，這一新型光波包在光子能量快速向前傳輸的同時，光子能流圍繞一個随波包移動的橫向軸旋轉，進而形成光子“飓風”。這一發現在光通信、光資訊處理、量子光學、粒子操控、新型能源、相對論空間實體等領域具有重要的潛在研究和應用價值。
所用的方法是光學領域人人都懂的原理，形成的裝置也容易普及，詹其文和團隊卻領先全世界首先做了出來，歸根結底在于比别人“多想了一步”。項目開始後很快取得突破性進展，甚至在實驗方案敲定之後，僅僅用了兩個月的時間，就驗證出了結論，這讓詹其文和團隊也吃了一驚。他們反複分析資料，最終确定，超脈沖光學波包這一狀态确實産生了，比原本計劃需要的時間大大縮短。盡管如此，這一突破性成果的産生卻并非偶然，甚至是“十年磨一劍”的成果，夢想的種子經過多年在科研上的創新而結出了最豐碩的果實。
詹其文和團隊的這一研究成果得到了世界光子科學界的認可，并發表在世界光學頂尖期刊《自然-光子學》上，成功入選2020年度全球30項光學重大進展。但他們并未就此停止研究。新的理論出爐，必将在應用領域引發更激烈的競争，作為“築巢”者，也必須走在前面，引領這一領域的創新之潮。2020年，研究團隊獲得了國家自然科學基金委“新型光場調控實體與應用重大研究計劃”的重點項目支援，将在這一領域進一步開展系統深入的研究。
在科研中，究竟是“從0到1”更重要，還是“從1到100”更重要？這或許是一個無法比較的問題。但從0到1，意味着這項研究有一定的随機性，也有無限可能性，是一個自由探索的過程，哪怕無法預料可以解決什麼應用問題，但隻要突破了，就可能會對某個領域帶來革命性的變革；同樣，從1到100，将不斷見證基礎理論的創新為人類科技生活帶來的巨大推動，這或許就是科研的魅力所在，也是科研工作者全力以赴、追求卓越的動力。
作為Optica副主編，與Nature、APL Photonics、ACS Photonics、 Light: Science and Applications、Nature Physics、 Nature Communications、Advanced Optical Materials、 Nanophotonics等頂級期刊編輯研讨會的合影。
<h1 class="pgc-h-arrow-right">注重“理實交融”，帶領團隊走上國際舞台</h1>
盡管已經大學畢業20餘年，詹其文仍牢牢記得母校中國科學技術大學的校訓——“紅專并進、理實交融”，既要擁有創新精神與能力，理論和實踐相結合，也要思慮如何報效祖國奉獻社會，這8個字也成為影響詹其文一生的格言。當時，國内光學盡管快速發展，但仍受到很大的制約，選擇專業時，詹其文毫不猶豫選擇了這一領域作為自己未來的發展方向。在中國科學技術大學的5年學習生活，也為他後來的科研道路打下了堅實的基礎。
20世紀90年代末，國内網際網路基礎設施剛開始普及，科研領域的資訊交流對比美國等發達國家來說仍比較閉塞。詹其文選擇到美國明尼蘇達大學讀博，就是為了到光學學科發展最前沿的地方，跟世界頂尖的科學家一起交流學習。在複雜光場方面的不斷創新，讓他逐漸在美國光學科學領域站穩腳跟。博士畢業後，他一直與中國科學技術大學等國内高校和科研機關保持着密切合作與交流，并推動納米光子學國際會議到中國舉辦，讓中外科學家實作“零距離”交流。經過多年培育，納米光子學國際會議已經形成了500人的參會規模。兩年多前，詹其文排除了回國的重重阻礙，選擇回到上海理工大學任教，将自己在基礎理論上的研究優勢，與上海理工大學的工程應用學科優勢結合，緻力于解決更多領域的關鍵問題。
回國以來，詹其文大部分的時間都奉獻給了科研工作，盡管很忙，但他卻甘之如饴——研究工作本身就是他的興趣所在。在詹其文的帶領下，上海理工大學成立了納米光子學創新團隊，并得到了上海市教委的重點支援。作為首席科學家，他希望能夠将納米光子學創新團隊真正培育成在國際上有較大影響力的科研團隊。
在詹其文的上司下，團隊正緻力于開展光場時空調控的應用領域的相關研究，比如在如何控制光場“手性”的問題上，一旦取得突破性進展，将可以借助光場“手性”辨識物質的不同特性。在詹其文看來，光場的“手性”理論可以應用在制藥上，藥物當中許多分子都具有不同的手性，它們分子式一樣，但空間排布的結構卻完全不同，就好像鏡像反射中的左手與右手。“化學藥品的分子中，也許某一種手性是有效成分，相反的手性是無效成分甚至是有毒的，我們需要把不同的手性區分開來。借助光場調控，有可能讓我們在幾十納米的尺度上，去分辨和篩選分子是左手性還是右手性。”詹其文說。
如今，納米光子學創新團隊的科研人員已達28人，大都是80後甚至是90後。對團隊中的年輕人才，詹其文希望能夠讓他們每個人都逐漸擁有自己擅長的研究領域，形成自己獨特的科研“品牌”。作為導師，他緻力于對不同的學生因材施教，啟發學生了解自己的優點和長處，激發他們的興趣。在國外的十多年時間裡，他已經培養了20多名光子學領域的博士研究所學生。
對于未來的規劃，詹其文說：“我希望通過紮紮實實的努力，在三五年的時間内，讓整體團隊在國際上能夠獲得認可，産生更多研究成果，并在更多的領域中得到應用。”對于許多人說的“做科研要耐得住寂寞”的說法，詹其文卻有不一樣的回答，“不寂寞，我的研究工作就是我自己感興趣的事情，就這麼簡單”。
詹其文，上海理工大學教授，納米光子學創新團隊首席科學家。中國科學技術大學實體學學士（1996年），美國明尼蘇達大學電子工程博士（2002年）。2002年獲聘美國代頓大學電子光學系教職，曆任助理教授（2002年）、終身制副教授（2008年）、終身制教授(2012年)，創立代頓大學納米電子光學實驗室及代頓大學Fraunhofer中心并擔任主任。
主要研究領域包括光場調控及其與微納結構互相作用、納米光子學、生物光子學、超分辨成像及納米結構表征等。美國光學學會期刊Optica副主編，中國光學工程學會期刊PhotoniX副主編，自然出版集團Scientific Reports編委，自然-施普林格Journal of Nondestructive Evaluation編委，中國光學學會理事。2012年和2013年獲選國際光電學會（SPIE）Fellow和美國光學學會（OSA）Fellow。在Advances in Optics and Photonics、Nature Photonics等重要國際學術期刊發表論文160餘篇，文章引用超過10000次（最高單篇引用>2200次），出版專著1部、專著章節9章，獲美國及國際授權專利5項，高分辨橢偏成像、近場拉曼等技術轉讓美國、德國等企業進行産業化開發。